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建筑用陶瓷组件增材制造(3D打印)技术研究进展

2021-11-12 16:07:01

为进一步方便中国建筑卫生陶瓷协会会员及广大用户了解全球建筑陶瓷卫生洁具领域的研究进展,中国建筑卫生陶瓷协会公众号将会定期为大家带来领域内的前沿科技进展情况,供大家学习参考。

今天解读的文章是德国达姆施塔特工业大学建筑工程与设计系Ulrich Knaack教授团队发表在建筑自动化(Automation in Construction)杂志上的文章《建筑用陶瓷组件增材制造技术》(Additive manufacturing of clay and ceramic building components。该文章系统总结了截至20216月前建筑用陶瓷组件材料增材制造技术(俗称“3D打印技术”)的发展情况并展示了众多优秀案例,可帮助该行业从业的团队寻找该领域下一步的发展方向,并分析该领域发展潜力与策略。

一、引言

在过去的30年里,增材制造技术在许多行业领域都取得了广泛的应用。与传统工艺相比,增材制造技术主要包括两方面:1.在生产过程中产生的废料很少或根本没有2.可以实现高度复杂形状产品的高效制作。增材制造技术目前已广泛应用于建筑领域,除了大量应用于复杂零部件生产外,增材制造技术已可进行大型建筑就地制造。



香港大学建筑学院陶瓷增材制造案例


目前,欧洲建筑用陶瓷组件行业在1300多家企业拥有约50000名员工,每年直接生产价值55亿欧元的产品,具有广阔的应用市场建筑行业使用的陶瓷材料品类繁多,用途广泛,可按产品的粒度分为粗晶陶瓷(粒度>1mm)和细晶陶瓷粒度<1毫米)。粗晶陶瓷主要用作砖块或屋顶瓷砖的外壳结构,而细晶陶瓷则以瓷砖、卫生陶瓷或立面板形式应用于室内环境



葡萄牙米尼奥大学先进陶瓷研发中心陶瓷增材制造案例


建筑用陶瓷组件生产工艺链中增材制造技术,特别针对具有复杂几何形状或一体化制造陶瓷组件的单件或小批量生产,会极大缩短制造时间并节约成本。如今时代正处在工业革命4.0的门槛上,众多研究者认为,现在也是发展新一代建筑用陶瓷组件的时代!


二、陶瓷增材制造的主要技术


20世纪90年代初以来,陶瓷组件增材制造一直是一个重要的研究课题。目前,按照原料进行分类,陶瓷增材制造工艺主要包括固体基,浆料基,以及粉体基具体分类如表1所示。



1)挤压
熔融沉积成型(FLM是目前使用最广泛的增材制造技术之一。该技术于1989年获得专利,其以热塑性塑料丝为原料,丝通过可在X-Y方向上移动的液化器熔化后喷嘴喷出,根据所涉及部件的每一层形状,逐条线、逐个层的堆积出部件。针对陶瓷材料的适应性改进陶瓷颗粒融入热塑性塑料丝,喷涂之后可对构件进行后续处理,去除热塑性粘合剂对剩余陶瓷颗粒进行烧结。这项技术的优势在于其成本较低,但其完成构件的表面难以满足应用要求

澳大利亚墨尔本大学设计学院陶瓷增材制造案例


通过挤压方式实现陶瓷增材制造的另一种技术是直写自由成型(DIW)该技术1997年开发,通过将陶瓷制备成具有固化特性的陶瓷悬浮液利用针头挤出逐层堆积形成陶瓷零件毛坯。目前该技术已广泛应用于电池、医疗艺术领域陶瓷组件生产直写自由成型(DIW)是生产用于建筑应用的陶瓷零件最有希望的方法之一,能够廉价而快速地制备复杂形状构件。另外,原材料中的高固体含量确保在后续精加工过程中,构件可以保持原有形状
2)光敏聚合化
利用光敏聚合化技术制备陶瓷组件的原理是将陶瓷原料与通过曝光固化的溶液混合。激光选区熔覆成型(SL)通过激光束扫描点或线条来进行单层固化,于1994年首次报道出采用陶瓷溶液。数字光处理成型(DLP)通过同时暴露整个层来固化,从而大大加快了生产时间。双光子聚合技术TPP)则可更进一步提升分辨率然而,光敏聚合化技术的高精分辨率会大大延长制备时间,同时后处理过程中材料易出现收缩行为,目前尚未显示出适应建筑应用的潜力

滑铁卢大学建筑学院陶瓷增材制造案例


3)粘合喷射

3D打印成型3DP)于1993年获得专利授权,该技术首先将粉末铺在工作台上,通过喷嘴把粘结剂喷到选定的区域,将粉末粘结在一起,形成一个层,而后,工作台下降,填粉后重复上述过程直至做出整个部件。3D打印成型3DP可以实现的任何复杂几何形状的打印然而,与挤压成型技术类似,其制备后构件的表面难以满足需求,同时该技术后处理消耗时间较长


加泰罗尼亚高级建筑研究所陶瓷增材制造案例


另外,可采用浆料来进行粘合喷射方式,这种方式就是模拟纸张喷墨打印方式,被称为喷墨打印成型IJP。该技术从1995年起也被尝试用于陶瓷组件制备在早期的制备中,陶瓷颗粒在墨中的混合比例只有5%,但伴随着技术的进步,这一比例增加到40%。然而,喷墨打印成型IJP只适合在有限范围内的复杂结构,不适用于大尺寸构件制备,导致其主要用于微电子制造。
4)溶解粉体
激光烧结成型(LS)是通过利用激光将原材料层层熔在一起,从而无需粘合剂将粉末材料粘在一起。这项技术于1990年首次成功地应用于陶瓷原料。该种工艺制备的陶瓷组件的孔隙率较大,导致力学性能较差在此基础上,提出激光束熔融成型(LBM,原材料在激光束击中之前进行预加热,从而达到更高的目标温度。激光束熔融成型(LBM是第一能够成功制备陶瓷零部件技术,但该技术仍存在需要克服的挑战,例如在制备过程中的剧烈加热和冷却会导致陶瓷组件产生较大的热压力,导致样品出现裂纹变形

荷兰新代尔夫特蓝陶瓷增材制造案例


5)叠层层压
在增材制造与传统技术之间存在一个有趣的混合体,即叠层层压成型(LMM。在此方法中,材料由激光切割成层,之后分层到所需的几何形状,之后利用加压加热的方式成型。该工艺最初用于纸张、塑料和金属材料1994 年首次用于陶瓷组件层层压结构可确保工作件的低变形,但制造过程容易出现脱层、表面孔隙以及最终产品的异构特性问题难以在陶瓷领域应用



三、结论与展望


目前,建筑用陶瓷组件指标在增材制造领域的大多数研究都以小规模实验室研究开展,驱动这些项目产生的主要原因是很多具有前卫外观建筑的设计需求,大约仅有50%产品的应用于实际生产中而在实践过程中,做到类似于建造整栋房屋的3D打印混凝土领域还有较长的路要走,但这一领域同样具有很高的开发应用潜力。同时,增材制造的本质并不是要取代现有生产工艺,而是要对现有生产工艺的补充。在全文中筛选出优秀的建筑用陶瓷组件增材制造产品案例,强有力地证明了增材制造技术在未来建筑用陶瓷组件发展中的可行性。未来一段时间内,针对建筑用陶瓷组件增材制造研究应更多地集中在如何广泛地开展应用以及如何提供与现有工艺差异化的应用

达姆施塔特应用技术大学陶瓷增材制造案例

文章作者坚信,伴随时代发展将产生越来越多有特殊需求的建筑用陶瓷组件,而增材制造技术因具有综合经济效益及可持续环保发展的优势,将会随之得到极大地进步,从而进一步丰富建筑用陶瓷组件产业发展。
本文中观点出自《Additive manufacturing of clay and ceramic building components》一文,如有相关问题欢迎在文章后留言讨论。